Terobosan Sonic: MIT Membuka Kontrol Ultrasound Dengan Metamaterial Tingkat Lanjut
Peneliti di MIT telah mengembangkan kerangka desain untuk mengendalikan propagasi gelombang ultrasonik dalam akustik skala mikro bahan metadengan fokus pada penempatan bola skala mikro yang tepat di dalam kisi.
Pendekatan ini memungkinkan kecepatan dan respons gelombang yang dapat disesuaikan, dan dapat diterapkan di bidang seperti pencitraan ultrasound dan komputasi mekanis.
Metamaterial Akustik
Metamaterial akustik adalah material yang dirancang khusus dengan struktur yang dirancang dengan cermat yang mengontrol bagaimana gelombang suara atau elastis bergerak melaluinya. Meskipun para peneliti telah mengeksplorasi materi ini melalui model komputer dan studi teoretis, pembuatan versi fisik sejauh ini terbatas pada struktur skala besar dan aplikasi frekuensi rendah.
“Fungsionalitas metamaterial – ringan dan kuat sekaligus memiliki sifat akustik yang dapat diatur – menjadikannya kandidat yang bagus untuk digunakan dalam aplikasi teknik kondisi ekstrem,” jelas Carlos Portela, Ketua Pengembangan Karir Robert N. Noyce dan asisten profesor teknik mesin di MIT. “Tetapi tantangan dalam miniaturisasi dan karakterisasi metamaterial akustik pada frekuensi tinggi telah menghambat kemajuan dalam mewujudkan material canggih yang memiliki kemampuan kontrol gelombang ultrasonik.”
Kerangka Desain Baru untuk Pengendalian Gelombang Ultrasound
Portela, bersama dengan Rachel Sun, Jet Lem, dan Yun Kai dari Departemen Teknik Mesin MIT, dan Washington DeLima dari Kampus Keamanan Nasional Kansas City Departemen Energi AS, baru-baru ini mengembangkan kerangka desain baru untuk mengendalikan gelombang ultrasonik dalam metamaterial akustik mikroskopis. Temuan mereka, yang dirinci dalam makalah “Perbanyakan Ultrasound yang Disesuaikan dalam Metamaterial Skala Mikro melalui Desain Inersia,” diterbitkan dalam jurnal Kemajuan Ilmu Pengetahuan.
“Pekerjaan kami mengusulkan kerangka desain berdasarkan penempatan bola skala mikro secara tepat untuk menyesuaikan bagaimana gelombang ultrasonik merambat melalui metamaterial skala mikro 3D,” kata Portela. “Secara khusus, kami menyelidiki bagaimana penempatan massa bola mikroskopis dalam kisi metamaterial mempengaruhi seberapa cepat gelombang ultrasonik merambat, yang pada akhirnya mengarah pada pemanduan gelombang atau respons pemfokusan.”
Kemajuan Teknologi Metamaterial
Melalui karakterisasi laser-ultrasonik non-destruktif dengan throughput tinggi, tim secara eksperimental menunjukkan kecepatan gelombang elastis yang dapat diatur dalam material skala mikro. Mereka menggunakan kecepatan gelombang yang bervariasi untuk menyesuaikan perambatan gelombang secara spasial dan temporal dalam material skala mikro, juga mendemonstrasikan demultiplexer akustik (perangkat yang memisahkan satu sinyal akustik menjadi beberapa sinyal keluaran). Pekerjaan ini membuka jalan bagi perangkat dan komponen skala mikro yang dapat berguna untuk pencitraan USG atau transmisi informasi melalui USG.
“Dengan menggunakan perubahan geometris sederhana, kerangka desain ini memperluas ruang properti metamaterial dinamis yang dapat disetel, memungkinkan desain dan fabrikasi metamaterial dan perangkat akustik skala mikro secara mudah,” kata Portela.
Penerapan Luas dan Potensi Masa Depan
Penelitian ini juga meningkatkan kemampuan eksperimental, termasuk fabrikasi dan karakterisasi, metamaterial akustik skala mikro menuju aplikasi dalam aplikasi USG medis dan komputasi mekanis, dan menggarisbawahi mekanisme yang mendasari perambatan gelombang ultrasonik dalam metamaterial, menyetel sifat dinamis melalui perubahan geometris sederhana dan menggambarkan perubahan ini sebagai fungsi dari perubahan massa dan kekakuan. Yang lebih penting lagi, kerangka kerja ini dapat digunakan untuk teknik fabrikasi lain di luar skala mikro, yang hanya membutuhkan satu material penyusun dan satu geometri dasar 3D untuk mendapatkan sebagian besar sifat yang dapat disetel.
“Keunggulan dari kerangka ini adalah bahwa ia secara mendasar menghubungkan sifat fisik material dengan fitur geometris. Dengan menempatkan massa bola pada perancah kisi seperti pegas, kita dapat membuat analogi langsung tentang bagaimana massa mempengaruhi kekakuan kuasi-statis dan kecepatan gelombang dinamis,” kata Sun, penulis pertama studi tersebut. “Saya menyadari bahwa kami dapat memperoleh ratusan desain berbeda dan sifat material yang sesuai, terlepas dari apakah kami menggetarkan atau mengompresi material secara perlahan.”
Referensi: “Rambatan ultrasonik yang disesuaikan dalam metamaterial skala mikro melalui desain inersia” oleh Rachel Sun, Jet Lem, Yun Kai, Washington DeLima dan Carlos M. Portela, 6 November 2024, Kemajuan Ilmu Pengetahuan.
DOI: 10.1126/sciadv.adq6425
Pekerjaan ini dilakukan sebagian melalui penggunaan fasilitas MIT.nano.
